42- Qu’est-ce qu’un photon lumineux (encore appelé boson) ?

La physique a découvert que la matière, comme la lumière, est constituée de « grains » appelés particules. La matière serait appelée fermions, c’est-à-dire particules obéissant à la règle de Fermi qui empêche les particules de même état de s’agglomérer du fait du « principe de Pauli ». Les fermions sont de deux types : leptons (comme l’électron) ou quarks (constituant des neutrons et des protons). La lumière – expression employée ici pour regrouper toutes les particules dites d’interaction - serait formée de bosons, c’est-à-dire de particules qui obéissent à la règle de Bose qui concerne des particules qui ont tendance à s’agglomérer dans un état commun.

Lumière quantique

Si Max Planck a découvert que l’énergie se transmettait uniquement par quantités entières (un, deux, trois, etc.) d’un quanta, c’est Einstein qui a développé cette découverte en ce qui concerne l’existence de grains de lumière, ce qui allait complètement à l’encontre de l’apparence ondulatoire retenue jusque là pour la lumière, c’est-à-dire tous les phénomènes de type électromagnétique. C’était une véritable révolution qui a ouvert, avec le travail de Planck sur l’émission du corps noir, la physique quantique.

Finalement, il s’est avéré que la lumière était capable de développer des phénomènes de type ondulatoire et de type corpusculaire et De Broglie a découvert que la matière, que l’on croyait uniquement corpusculaire, avait également des propriétés ondulatoires. Gilles Cohen-Tannoudji écrit dans « Dictionnaire de l’ignorance » :

« En 1905, Einstein (…) retrouve la formule de Planck pour le rayonnement du corps noir sans la faire dépendre d’un modèle de résonateurs, mais en supposant que c’est le rayonnement électromagnétique lui-même qui a une structure granulaire : les grains qui portent l’énergie électromagnétique sont de véritables atomes de lumière, ce qu’on a appelé, bien plus tard, des photons. A partir de cette conception, Einstein parvient à expliquer l’existence d’un seuil photoélectrique, un phénomène qui jusque-là était incompris : pour qu’un photon puisse arracher un électron à un atome, il faut que son énergie soit suffisante, donc d’après l’équation E = h fois fréquence, que la fréquence soit suffisante. »

Finalement, on a renoncé à une simple image (onde ou corpuscule) qui soit ou l’un ou l’autre ou même qui soit et l’un et l’autre. Il s’agit de deux éléments, certes contradictoires puisqu’ils ont des propriétés opposées, qui sont des niveaux de description de la même réalité.

Il faut donc autre chose. Nous y reviendrons.

Mais, revenons à la découverte d’Einstein. Elle provient de l’expérience de l’effet photoélectrique.

"Cet effet, découvert en 1887 par le physicien allemand Heinrich Hertz consiste en l’éjection de charges électriques nommées électrons de la surface d’un métal soumise à l’action d’un rayon lumineux. Dans les métaux, les électrons sont en effet très faiblement attachés à leurs atomes. Quand un faisceau lumineux frappe la surface d’un métal, il lui communique son énergie. L’énergie lumineuse transmise au métal agite les électrons dans les atomes et ceux qui sont le plus faiblement attachés sont éjectés. A priori, vous vous dites que si vous voulez augmenter la vitesse des électrons éjectés (qui dépend du carré de la vitesse), il vous suffit d’augmenter l’intensité du faisceau lumineux. Or, à votre grande surprise, il n’en est rien. Quand la lumière devient plus intense, ce qui augmente, ce n’est pas la vitesse des électrons éjectés, mais leur nombre. En fait, le sel moyen d’augmenter la vitesse et donc l’énergie des électrons éjectés, c’est de changer la fréquence de la lumière en remplaçant la lampe (...) A de plus basses fréquences encore, les électrons ne sont plus éjectés, quelle que soit l’intensité de la lumière. Pour une raison mystérieuse, c’est la fréquence de la lumière (et donc sa couleur) qui dicte le comportement des électrons, et non son intensité. Pour expliquer ce curieux comportement des électrons éjectés de la surface d’un métal, Einstein n’y va pas par quatre chemins. Il remet en cause la notion communément admise de nature ondulatoire de la lumière et avance l’hypothèse hardie que l’effet photoélectrique ne peut se comprendre que si la lumière absorbée par le métal n’est pas une onde continue, mais est composée de "grains" ou quanta d’énergie, appelés encore photons. Chaque photon porte une quantité d’énergie bien définie. Cette énergie ne peut prendre n’importe quelle valeur, mais doit être exactement égale à un multiple de la fréquence de la lumière." écrit Trinh Xuan Thuan dans "Les voies de la lumière".

Jusque là, il y avait déjà des éléments renversants mais la suite n’a pas été inférieure en surprises. On s’est aperçu en effet que certaines expériences distinguaient pour deux photons de même fréquence entre deux types de photons si on effectuait une expérience liée au magnétisme. Il y avait donc une sensibilité du photon sur le plan magnétique qui signifiait que le photon pointait magnétiquement dans une direction. C’est la polarisation de la lumière. Mais cela signifie que le photon, neutre électriquement, ne l’est pas magnétiquement. Comment cela est-il possible ?

On a été amenés à distinguer une rotation interne du photon ce qui est aussi étrange pour une particule ponctuelle comme est censée l’être un corpuscule. Plus étrange encore, contrairement à la particule, au lieu de deux rotations pour revenir à son état de départ ce qui caractérise la rotation interne du photon, c’est une seule rotation. On exprime cela en disant que le spin de la particule est demi-entier et le spin du photon est entier.

Ce sont les relations de la particule et du photon avec le vide quantique qui expliquent ces diverses propriétés. Rappelons que le vide est constitué de particules virtuelles chargées. Elles ont une courte durée de vie contrairement aux structures "matière-particule" et "lumière-photon".

Le photon est une fusion d’une particule virtuelle et de son antiparticule. La particule est fondée sur un nuage de particules virtuelles et de leurs antiparticules.

Dans le vide, les composants du photon, particule virtuelle et son antiparticule, sont trop proches pour que les charges apparaissent. La charge électrique globale apparaît nulle. A proximité de matière, le photon est dissocié brièvement en particule et antiparticule, ce qui explique ses propriétés magnétiques.